TERMODINAMIKA 3 (HUKUM II TERMODINAMIKA)

Hukum II Termodinamika adalah ekspresi dari kecenderungan yang dari waktu ke waktu, perbedaan suhu, tekanan, dan menyeimbangkan potensi kimia dalam terisolasi sistem fisik. 

Semua proses yang terjadi secara alami hanya berlangsung pada satu arah saja tapi tidak dapat berlangsung pada arah sebaliknya (biasa disebut sebagai proses ireversibel alias tidak dapat balik).

Salah seorang ilmuwan yang bernama R. J. E. Clausius (1822-1888) membuat sebuah pernyataan berikut :
"Kalor berpindah dengan sendirinya dari benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah; kalor tidak akan berpindah dengan sendirinya dari benda bersuhu rendah ke benda bersuhu tinggi (Hukum kedua termodinamika – pernyataan Clausius)"

Pernyataan Hukum II Termodinamika

1. Jika tidak ada kerja dari luar, panas tidak dapat merambat secara spontan dari suhu rendah ke suhu tinggi (Clausius)
2. Proses perubahan kerja menjadi panas merupakan proses irreversible jika tidak terjadi proses lainnya (Thomson-Kelvin-Planck)
3. Suatu mesin tidak mungkin bekerja dengan hanya mengambil energi dari suatu sumber suhu tinggi kemudian membuangnya ke sumber panas tersebut untuk menghasilkan kerja abadi (Ketidakmungkinan mesin abadi)
4. Mesin Carnot adalah salah satu mesin reversible yang menghasilkan daya paling ideal.  Mesin ideal memiliki efisiensi maksimum yang mungkin dicapai secara teoritis

MESIN KALOR

Gagasan dasar dibalik penggunaan mesin kalor adalah bahwa kalor bisa diubah menjadi energi mekanik hanya jika kalor dibiarkan mengalir dari tempat bersuhu tinggi menuju tempat bersuhu rendah. Selama proses ini, sebagian kalor diubah menjadi energi mekanik (sebagian kalor digunakan untuk melakukan kerja), sebagian kalor dibuang pada tempat yang bersuhu rendah. Proses perubahan bentuk energi dan perpindahan energi pada mesin kalor tampak seperti diagram di bawah…

Amati diagram di atas… Suhu tinggi (TH) dan suhu rendah (TL) dikenal juga dengan julukan suhu operasi mesin (suhu = temperatur). Kalor yang mengalir dari tempat bersuhu tinggi diberi simbol QH, sedangkan kalor yang dibuang ke tempat bersuhu rendah diberi simbol QL. Ketika mengalir dari tempat bersuhu tinggi menuju tempat bersuhu rendah, sebagian QH diubah menjadi energi mekanik (digunakan untuk melakukan kerja/W), sebagian lagi dibuang sebagai QL. Sebenarnya kita sangat mengharapkan bahwa semua QH bisa diubah menjadi W, tapi pengalaman sehari-hari menunjukkan bahwa hal tersebut tidak mungkin terjadi. Selalu saja ada kalor yang terbuang. Dengan demikian, berdasarkan kekekalan energi, bisa disimpulkan bahwa QH = W + QL.

Mesin Uap

Mesin uap menggunakan uap air sebagai media penghantar kalor. Uap biasa disebut sebagai zat kerja mesin uap. Terdapat dua jenis mesin uap, yakni mesin uap tipe bolak balik dan mesin uap turbin (turbin uap). Rancangan alatnya sedikit berbeda tetapi kedua jenis mesin uap ini mempunyai kesamaan, yakni menggunakan uap yang dipanaskan oleh pembakaran minyak, gas, batu bara atau menggunakan energi nuklir.

Mesin uap tipe bolak balik
Tataplah gambar kusam di bawah dengan penuh kelembutan…

SIKLUS CARNOT

Untuk mengetahui bagaimana menaikkan efisiensi mesin kalor, seorang ilmuwan muda belia dari negeri Perancis yang bernama om Sadi Carnot (1796-1832 = 36 tahun saja. Mati muda) meneliti suatu mesin kalor ideal secara teoritis pada tahun 1824. Pada waktu itu hukum pertama termodinamika belum dirumuskan (apalagi hukum kedua). Hukum pertama belum dirumuskan karena para ilmuwan belum mengetahui secara pasti kalor alias panas tuh sebenarnya apa. Setelah om Jimi Joule dan teman-temannya melakukan percobaan pada tahun 1830-an, para ilmuwan baru mengetahui secara pasti bahwa kalor merupakan energi yang berpindah akibat adanya perbedaan suhu. Jadi hukum pertama baru dirumuskan setelah tahun 1830. Om Sadi Carnot sudah meneliti mesin kalor ideal secara teoritis pada tahun 1824. Penelitian yang beliau lakukan sebenarnya untuk menaikkan efisiensi mesin uap yang pada waktu itu sudah digunakan

contoh soal siklus carnot.

1.Sebuah mesin uap bekerja antara suhu 500 oC dan 300 oC. Tentukan efisiensi ideal (efisiensi Carnot) dari mesin uap tersebut.

Panduan jawaban :

Suhu harus diubah ke dalam skala kelvin

TH (suhu tinggi) = 500 C = 500 + 273 = 773 K

TL (suhu rendah) = 300 oC = 300 + 273 = 573 K

Efisiensi ideal atau efisiensi mesin kalor sempurna yang bekerja antara suhu 500 oC dan 300 oC adalah 26 %. Apabila mesin yang kita gunakan dalam kehidupan sehari-hari bekerja antara suhu 500 oC dan 300 oC, efisiensi maksimum yang bisa dicapai mesin tersebut biasanya sekitar 0,7 kali efisiensi ideal (18,2 %). Hal ini dipengaruhi oleh adanya gesekan dan proses ireversibel lainnya…
Perhatikan animasi siklus carnot berikut :